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Laser

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Laser
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Laser Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Laser kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Bedeutung des Begriffes „LASER" wieder.

    Tipps

    Überlege dir, wie die Laserstrahlen erzeugt werden.

    Lösung

    Erinnert man sich an die Wörter, aus denen das Akronym „LASER" gebildet wird, dann hilft einem das dabei, sich die Funktionsweise zu merken.

    Der Laser funktioniert auf Grundlage der Lichtverstärkung (Light amplification) durch stimulierte Emission von Strahlung (Radiation).

  • Erkläre den Begriff stimulierte Emission.

    Tipps

    Emission bedeutet allgemein nur Ausstoß. Was bedeutet Emission in der Physik?

    Photonen werden auch Lichtteilchen genannt.

    Was ist der Unterschied zwischen spontaner und stimulierter Emission?

    Lösung

    Emission ist in der Physik die Abgabe von Energie in Form von Photonen.

    Spontane Emission ist das, was wir bereits kennen. Ein Elektron wird durch Energiezufuhr auf ein höheres Energieniveau angehoben und gibt kurze Zeit später, diese Energie wieder in Form eines Photons ab. So entsteht beispielsweise das Licht in Leuchtstoffröhren.

    Stimulierte Emission hingegen ist die Grundlage des Funktionsprinzips eines Lasers. Sie beschreibt das Phänomen, bei dem ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft und das Elektron genau in diesem Moment ein Photon mit gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase abgibt.

  • Beschreibe die Funktionsweise der einzelnen Laserkomponenten

    Tipps

    Halte dir den Aufbau des Lasers vor Augen.

    Lösung

    Das Blitzlicht erzeugt in kurzen Zeitabständen viele energiereiche Photonen durch spontane Emission. Man nennt dies auch optisches Pumpen.

    Diese Photonen können dann wiederum im Rubinkristall durch stimulierte Emission verstärkt werden. Man kann sich das wie Klonen vorstellen. Stimulierte Emission beschreibt das Phänomen, bei dem ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft und das Elektron genau in diesem Moment ein Photon mit gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase abgibt. Damit somit die Strahlung stark genug verstärkt werden kann, muss Besetzungsinversion im Medium vorliegen. Das heißt, dass es mehr angeregte als nicht angeregte Elektronen im Medium gibt.

    Diese Photonen werden zusätzlich durch die beiden Spiegel mehrfach durch das Medium geführt, sodass sie sich noch weiter verstärken können und irgendwann ein Teil von ihnen als Laserstrahl den Spiegel mit der Reflektivität von etwas unter 100% verlässt.

    Die Größe R steht hier für die Reflektivität des Spiegels. 100% bedeutet, dass das gesamte Licht reflektiert wird und nichts den Spiegel durchdringen kann.

  • Nenne Eigenschaften eines Lasers.

    Tipps

    Divergenz beschreibt den Öffnungswinkel einer Lichtquelle.

    Wo hast du bereits einen Laser gesehen und wo werden Laser verwendet?

    Lösung

    Laser sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Man findet sie unter Anderem in CD oder DVD Laufwerken, in Druckern, Sensoren, Werkstätten.

    Laser sind im Bezug auf die Lichtmenge, die sie emittieren, recht energieaufwendig, da ihre Strahlung auch eine sehr hohe Energiedichte aufweist. Meist benötigt man jedoch nur kleine Mengen. Zudem gibt es mit moderner Technik bereits Möglichkeiten sehr energieeffiziente Laser zu bauen.

    Prinzipiell ist das Funktionsprinzip und somit auch die Herstellung um einiges aufwändiger als die Konstruktion einer normalen Lampe.

    Prinzipiell ist mit Lasern sehr vorsichtig umzugehen. Sogar im Handel erhältliche Laserpointer können unser Auge dauerhaft schädigen, falls die Strahlen direkt oder durch Reflexion an Metallen in unser Auge gelangen.

  • Definiere den Begriff Besetzungsinversion.

    Tipps

    In welchem Zustand befinden sich Elektronen normalerweise in einem beliebigem Medium?

    Was ist spontane Emission und unter welchen Bedingungen tritt sie auf?

    Lösung

    Stimulierte Emission ist die Grundlage des Funktionsprinzips eines Lasers. Sie beschreibt das Phänomen, bei dem ein Photon auf ein bereits angeregtes Elektron trifft und das Elektron genau in diesem Moment ein Photon mit gleicher Richtung, Wellenlänge und Phase abgibt.

    Damit somit die Strahlung stark genug verstärkt werden kann, muss Besetzungsinversion im Medium (z.B. Rubin) vorliegen. Das heißt, dass es mehr angeregte als nicht angeregte Elektronen im Medium gibt.

  • Ordne den Lichtquellen das erzeugte Lichtspektrum zu.

    Tipps

    Worin könnte der Unterschied zwischen dem Sonnenlicht und dem einer Glühlampe liegen?

    Leuchtstoffröhren sind häufig mit verschiedenen Gasen gefüllt, um angenehm weißes Licht zu erzeugen.

    Lösung

    Das Spektrum des Sonnenlichtes besitzt einen recht hohen UV-Anteil. Das ist ultraviolettes Licht und besitzt eine kurze Wellenlänge und ist somit energiereich. Es ist auf der einen Seite lebenswichtig für alle Organismen, auf der anderen Seite kann es gefährlich für die Haut sein, falls wir uns ihm zu lange aussetzen. Es sorgt für den Sonnenbrand.

    Das Spektrum einer Glühlampe sieht recht ähnlich aus, ist auch kontinuierlich, beinhaltet jedoch kaum UV-Strahlung.

    Von Leuchtstoffröhren emittierte Strahlung besitzt je nach Füllung eine oder mehrere verschiedene Wellenlängen. Es sind aber die Spitzen deutlich zu erkennen, die die Energieübergänge der verwendeten Gase charakterisieren.

    Ein Laserstrahl besitzt, wie wir gelernt haben, idealerweise nur Licht einer einzelnen Wellenlänge und ist somit als einzelner „Peak" im Diagramm dargestellt.

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